Ficha Técnica Dirección de Movilidad y Transporte
Principios electromotrices del auto eléctrico de Baterías
Tren motriz
Todos los automóviles tienen un tren motriz, el de un auto
eléctrico común se muestra en la Figura 1. Hace referencia al
conjunto de piezas mecánicas, en donde se origina la potencia
y aquellas que permiten la transferencia de energía a las llantas
de la unidad; en el caso del auto eléctrico, el tren motriz está
conformado por las mismas partes que en un automóvil
convencional, con la adición del sistema eléctrico de alta
tensión (que incluye el banco de baterías) y la ausencia del
embrague. En comparación con un auto tradicional, el auto
eléctrico es 10-15% más pesado, debido al banco de baterías.
La unidad de propulsión en el vehículo eléctrico es el motor
eléctrico, aunque pueden existir dos motores o hasta uno por
rueda. Los autos eléctricos más energéticamente eficientes y
rápidos tienen dos, uno por cada eje, aunque existen
configuraciones no comerciales de tres motores, cuyo
desempeño es superior, pero su precio abandona las
expectativas racionales de la producción en masa.
Figura 1. Configuración común del tren motriz de un vehículo
eléctrico de baterías.
FUENTE: MOTORPASION.COM
Un auto eléctrico utiliza el mismo principio mecánico para
avanzar que un auto tradicional, con la diferencia de que las
revoluciones son creadas por un motor eléctrico y no de
combustión interna.
Los autos eléctricos modernos utilizan motores asíncronos o
síncronos de reluctancia variada. También existen
configuraciones donde utilizan una combinación de ambos
motores en cada eje del auto.
Uno de los retos que tienen los motores eléctricos es la
disipación de calor, ya que a altas velocidades se calientan de
manera que su eficiencia disminuye.
Tecnología de baterías
El sistema más importante en el auto eléctrico es el banco de
baterías, pues es la fuente de energía del motor y sin
electricidad dentro de ellas el coche no se moverá. Para las
baterías el motor funciona como una carga eléctrica normal
dentro de un circuito; una vez que se pise el acelerador, el
motor demandará energía de las baterías, equivalente a la
potencia exigida por el usuario.
Las baterías son colocadas en el chasís, como se muestra en la
siguiente figura.
Figura 2. Baterías de un Nissan Leaf.
FUENTE: H. KASHIOKA
En el caso de las baterías modernas para autos eléctricos, se
utiliza un sistema electroquímico llamado batería de ion-litio o
batería de iones de litio. En estas baterías se aprovecha el
potencial de reducción del electrodo de litio, aunque
usualmente se utilizan dos electrodos de elementos diferentes,
en esta aplicación de estado del arte solo es necesario el litio
que al ser excitado por una corriente eléctrica, logra completar
su propio ciclo de oxidación-reducción, sin ayuda de otro
elemento.
Figura 3. Electroquímica en una pila de iones de litio.
FUENTE: ARGONNE NATIONAL LABORATORY
La batería de iones de litio es una celda electrolítica compuesta
por un cátodo de algún óxido de metal (el más popular es
dióxido de cobalto), un ánodo de grafeno, donde se depositan
los iones de litio cuando se induce una corriente en la pila, el
electrolito (hexafluorofosfato de litio) para permitir el
intercambio de partículas cargadas y un separador; este es una
membrana permeable que solo permite el paso de los iones de
litio, aumentado la eficiencia de la pila y, también, es una
medida de seguridad que evita el contacto entre los electrodos
en caso de que se comprometa la integridad física del sistema.
La vida útil de las baterías modernas varía, dependiendo del
régimen de uso y el cuidado que se les dé; las pilas que son
expuestas a sobrecargas o descargas profundas por largos
periodos de tiempo, perderán eficiencia y potencia. En el peor
de los casos, estos sistemas pueden presentar dendritas.
Las últimas investigaciones en tecnología de baterías apuntan
a un eventual cambio hacia las baterías de estado sólido, que
presentan superioridad en densidad energética, velocidad de
carga y seguridad.
Dispositivos electrónicos de alta potencia
Debido al alto desempeño que debe tener un auto eléctrico en
las vialidades públicas, este tiene que poder administrar su
potencia eléctrica de forma muy precisa y eficiente, esto lo
logra gracias a los diferentes circuitos electrónicos y sistemas
de control que están integrados dentro del auto. Los circuitos
tienen que ser capaces de acondicionar la corriente eléctrica
con la misma precisión que los componentes de un dispositivo
electrónico, pero a altas tensiones, ya que el auto demanda
mucha potencia eléctrica.
Existen 4 procesos principales en los cuales estos sistemas
deben funcionar en sincronía con las necesidades del usuario:
aceleración del automóvil, alimentación de cargas en corriente
directa, tracción negativa del motor y recarga del banco de
baterías.
Cuando la unidad acelera, el motor eléctrico debe ser
alimentado con corriente alterna, por lo que un inversor entre
el banco de baterías y el motor es necesario; en este caso, el
circuito electrónico de potencia se encarga de mantener la
tensión en el inversor para que el motor funcione
óptimamente.
Los aparatos electrónicos de entretenimiento a bordo de la
unidad y los diferentes motores que también son necesarios
en otros sistemas, como el de calefacción, son alimentados
desde el banco de baterías principal, pero la tensión es
regulada a través de componentes electrónicos de alta
potencia.
La tracción negativa de un motor eléctrico es un fenómeno
aprovechado por el auto para recargar sus baterías, sin
embargo, la tensión que devuelve este fenómeno es inestable,
,por lo que un banco de capacitores bidireccionales o
inversores DC/DC es necesario.
Por medio del sistema de frenado regenerativo, los autos
eléctricos ganan más autonomía entre carga y carga,
regresando energía a las baterías con un motor/generador en
el eje trasero, que se activa cuando la unidad desacelera. Si la
desaceleración es alta, se acciona el motor/generador y este
empieza a frenar las ruedas, pues su revolución es contraria al
giro de las ruedas; en cambio, si es poca, la fricción del
generador detendrá el giro y esa energía cinética será la que
devolverá electricidad a las baterías. Este intercambio en el
sentido de la potencia muchas veces sucede en un segundo, y
es la razón de que el banco de capacitores sea bidireccional. El
sistema regenerativo de frenos es tan preciso que hay
productores que están introduciendo al mercado autos con un
solo pedal que acelera el auto cuando es presionado y
automáticamente empieza a desacelerar la unidad cuando el
pedal deja de ser presionado.
Los frenos convencionales de disco son necesarios en todos los
autos eléctricos, ya que el frenado regenerativo no es efectivo
cuando la unidad debe ser parada en seco ya sea a altas o bajas
velocidades.
La recarga del banco de baterías es un proceso que puede
suceder con diferentes magnitudes de potencia, también
puede ser en corriente alterna o directa, y es por todas estas
variables que existe un sistema de control eléctrico
conformado por sensores, controladores lógicos programables
y componentes electrónicos de alta potencia, que permiten la
recarga del banco de baterías en un enchufe tradicional de la
red doméstica o en las estaciones de carga.
El sistema de enchufes para recarga es muy simple, se divide
en conectores del auto y conectores de la toma. El auto suele
tener dos conexiones: para CA (corriente alterna) o para CC
(corriente continua), la toma de corriente alterna puede
conectarse a un enchufe tradicional de casa y a las estaciones
de recarga; usualmente, el fabricante proveerá este cable,
mientras que el enchufe de corriente continua solo puede ser
alimentado por los cables que se encuentran en las estaciones.
Los autos eléctricos modernos no se pueden recargar
utilizando la instalación eléctrica doméstica, ya que esta no
puede administrar la potencia necesaria; esta modalidad se
recomienda únicamente como medida de emergencia y solo
recarga un pequeño porcentaje de la batería.
Figura 4. Conector Tipo 2, el conector para CA más común en
los autos eléctricos de baterías.
FUENTE: RAPHAEL DESROSIERS
En el lado de la toma puede existir un enchufe universal que
proporciona CA por medio de un sistema trifásico (al que se
conecta el cable provisto por el productor); estas tomas son las
más comunes y en países con muchos autos eléctricos tanto el
gobierno como la iniciativa privada han construido
infraestructura que provee este servicio, con su respectivo
costo. Por su parte, las tomas de CC son conocidas como
estaciones de carga rápida y hasta ahora, solo existen las que
construyen los productores de autos para sus propios modelos
o algunas empresas privadas que también incursionan en este
modelo de negocios; no todos los autos eléctricos cuentan con
esta posibilidad de carga rápida y tanto la forma de los
enchufes como la magnitud de potencia que puede recibir el
conector varían entre los modelos.
Eficiencia energética
Los autos eléctricos muestran una capacidad de convertir el
77% de la energía que reciben del motor en tracción para las
ruedas, es decir, en movimiento. Esto es muy superior al 25%
que tienen los autos tradicionales de motor de gasolina.
El auto eléctrico obtiene una alta eficiencia energética
principalmente por su motor que funciona con electricidad, y
eso hace que tenga menos partes móviles, procesos de
transferencia de energía y pérdidas por calor.
Figura 5. Pérdidas generales del auto eléctrico.
Sistema Pérdida en eficiencia
Recarga de batería 10%
Sistemas auxiliares a bordo
4%
Electrónica de potencia
4%
Sistema de tracción eléctrica
20%
FUENTE: WWW.FUELECONOMY.GOV
Por otra parte, el auto eléctrico sí tiene pérdidas en eficiencia
como resultado de la carga de baterías (10%), el uso de los
sistemas electrónicos de alta potencia y los sistemas de
asistencia para el manejo del vehículo, como las computadoras
para los motores, y la asistencia electrónica de frenos (4%), en
los sistemas auxiliares a bordo (4%); la mayor pérdida sucede
en la transferencia de energía mecánica del tren motriz (20%),
sin embargo, el sistema regenerativo de frenos devuelve hasta
un 17% del total de energía utilizada en el recorrido a la batería,
lo cual aumenta de nuevo la eficiencia del auto eléctrico.
Todas estas cifras son un promedio del desempeño que tiene
un auto eléctrico entre trayectos de ciudad y de carretera. El
motor eléctrico pierde eficiencia cuando es obligado a
mantener velocidades altas durante recorridos prolongados y,
por el contrario, es más eficiente en situaciones donde le
demandan altas potencias por cortos periodos de tiempo,
como sucede en el tráfico urbano.
Retos del auto eléctrico
En definitiva, el auto eléctrico es más eficiente y
tecnológicamente más avanzado que su competidor de
gasolina, aun así, el auto eléctrico no ha tenido una
introducción fácil en el mercado. La tecnología que utiliza es
aún cara y un vehículo de este tipo es inaccesible para la
mayoría de la población en general.
La batería es el sistema más caro en cualquier auto eléctrico y
es ahí donde está el mayor reto de los desarrolladores. Existen
varios aspectos que vuelven tan caras las baterías de iones de
litio, pero los dos principales son la complejidad de su
producción, pues requieren ambientes libres de oxígeno, y lo
segundo es la rareza de los metales níquel y cobalto
(componentes clave en la producción de la batería), que son
elementos cuya extracción es difícil, contaminante y agresiva
para el medio ambiente y las poblaciones que trabajan en las
minas.
Las alternativas a las baterías de ion-litio son las de estado
sólido o las celdas de combustible, aunque ambos sistemas
aún no se encuentran en fases favorables para su producción
masiva.
Bibliografía
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Figura 2: H. Kashioka, “Nissan Leaf at the 2009 Tokyo Motor
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(sin cambios):
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https://www.anl.gov/topic/lithiumion-batteries?content-
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Figura 4: D. Raphael, “Prise type 2 Mennekes BMW i3”, 14 de
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https://en.wikipedia.org/wiki/File:Prise_type_2_Mennekes_B
MW_i3.jpg, usuario
https://www.flickr.com/people/120167116@N06
Figura 5: U.S. Department of Energy. (s. f.). Where the Energy
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de marzo de 2021, de https://www.fueleconomy.gov/feg/atv-
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Mesografía
https://www.fueleconomy.gov/
https://afdc.energy.gov/
https://www.youtube.com/user/EngineeringExplained/videos
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https://www.autoevolution.com/news/what-are-today-s-
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Figura 3: P.A. Nelson, K.G. Gallagher, I. Bloom, and D.W. Dees.
(2011). Modeling the Performance and Cost of Lithium-Ion
Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía.
Av. Revolución 1877, Col. Loreto.
Ciudad de México. C.P. 01090
Tel. (55) 3000 1000 www.gob.mx/conuee.
Elaborado en la Dirección de Movilidad y Transporte
Colaborador: Sebastián Hernández Arellano
Abril, 2021